福田紅樹林濕地生態(tài)系統(tǒng)

1、2015年“深圳杯”數(shù)學建模夏令營C題：福田紅樹林自然保護區(qū)濕地生態(tài)系統(tǒng)模型框架的構建及應用實例研究【論文摘要】福田紅樹林自然保護區(qū)是我國五個國家級紅樹林自然保護區(qū)之一，是我國面 積最小的國家級自然保護區(qū)，同時也是我國唯一一個位于城市腹地的自然保護 區(qū)。由于城市化進程中不可避免的噪聲、光、化學污染，加之自身面積較小，福 田紅樹林濕地生態(tài)系統(tǒng)更加脆弱，單純依靠抽樣檢測數(shù)據(jù)以及專家意見構建的靜 態(tài)健康評價系統(tǒng)難以實現(xiàn)對福田紅樹林濕地生態(tài)系統(tǒng)的科學管理。本文將構建一 體化濕地生態(tài)系統(tǒng)模型，實現(xiàn)動態(tài)預測、健康評估、預警科學管理三項功能。針對動態(tài)監(jiān)測功能，模型構建的基本思路是將福田紅樹林濕地生態(tài)系統(tǒng)分為

2、 鳥類、浮游植物、潮間帶大型底棲動物、植物、水域及昆蟲六部分進行監(jiān)測，除 了物種數(shù)量以及種群密度等常規(guī)的監(jiān)測數(shù)據(jù)之外，還要分別統(tǒng)計對各部分有重大 影響的環(huán)境因素的量化數(shù)據(jù)（列如噪聲對鳥類有影響，要將噪聲系數(shù)作為統(tǒng)計數(shù) 據(jù)記錄）以及各部分之間相互影響的交互因子，利用各個部分的環(huán)境因子和交互 因子分別建立多元線性評分模型，得分表示監(jiān)測時段內環(huán)境因子對各部分的影響 程度，而且考慮到了各部分之間的能量流動及物質循環(huán)。將統(tǒng)計數(shù)據(jù)建立為數(shù)據(jù) 庫之后，該動態(tài)監(jiān)測模型不僅可以反映紅樹林濕地生態(tài)系統(tǒng)的當期狀態(tài)，還可以 進行趨勢化分析進而制定科學管理方案。對于健康評估功能，通過構建紅樹林濕地生態(tài)系統(tǒng)健康評價體系實

3、現(xiàn)。采用 綜合指標與單項指標相結合的雙層評價方式，以生物安全性、群落穩(wěn)定性等6 項為綜合指標，當某綜合指標得分異常時逆向尋找其“根源”（單項指標），根據(jù) 模型中單項指標的得分系數(shù)及其對其他指標的影響設計合理的解決方案使綜合 指數(shù)恢復正常值。預警科學管理功能的實現(xiàn)要基于前兩項功能積累的數(shù)據(jù)進行趨勢分析，主要 是對影響福田紅樹林濕地生態(tài)系統(tǒng)的各項因素進行趨勢分析，進而分析6部分的 趨勢。因子除了考慮季節(jié)等自然想象之外還要根據(jù)特定的事件（旅游旺季等）?！娟P鍵詞】【問題重述】與國內外其他大規(guī)模濕地生態(tài)系統(tǒng)相比，福田紅樹林自然保護區(qū)因其面積 小，濕地生態(tài)系統(tǒng)的生態(tài)健康更加脆弱，迫切需要構建濕地動態(tài)監(jiān)測、

4、生態(tài)健康 評估及預警系統(tǒng)來支撐其保護、管理工作。但目前的生態(tài)健康評價主要采用基于 抽樣監(jiān)測數(shù)據(jù)和專家經(jīng)驗的靜態(tài)方法，僅僅圍繞主要生物因子開展調查而沒有覆 蓋到噪聲、大氣等環(huán)境因子，而且監(jiān)測點信息的時間、空間離散度較大（時間間 隔較長、測點密度過于稀疏），致使難以完全滿足福田紅樹林自然保護區(qū)科學管 理的實際需要。因此，保護區(qū)準備用三至五年的時間完成保護管理數(shù)字化支撐平 臺建設，其中構建新型的生態(tài)系統(tǒng)動態(tài)監(jiān)測和健康評估及預警科學管理支撐體系 是重要工作內容。鑒于上述情況，請你們查詢相關資料，為福田紅樹林濕地構建一體化生態(tài)系 統(tǒng)模型框架，為生態(tài)系統(tǒng)動態(tài)監(jiān)測提供大數(shù)據(jù)管理支撐平臺，為生態(tài)系統(tǒng)健康評 估

5、及預警提供動態(tài)模擬分析支撐平臺。例如，模型框架可由若干生態(tài)場景模型組成，生態(tài)場景模型以量化方式描述 紅樹林濕地中各種生物、生境的空間結構和生態(tài)功能；模型框架應能通過刻畫生 態(tài)場景模型之間的關系實現(xiàn)對濕地生態(tài)系統(tǒng)能量流動、物質循環(huán)等物種依存競爭 關系的動態(tài)描述；依托具體的生態(tài)場景模型可建設具體的保護、管理業(yè)務場景信 息系統(tǒng)；全體保護、管理業(yè)務場景信息系統(tǒng)基于一體化生態(tài)系統(tǒng)模型框架，可以 形成完整的生態(tài)系統(tǒng)動態(tài)監(jiān)測和健康評估及預警科學管理支撐體系。然后，請你們基于自己構建的模型框架完成下述工作：1、如果福田紅樹林自然保護區(qū)采用你們設計的模型框架來構建濕地動態(tài)監(jiān)測和 健康評估預警系統(tǒng)，你們如何根據(jù)模

6、型框架的數(shù)據(jù)構成要求設計保護區(qū)未來的生 態(tài)環(huán)境監(jiān)測方案？你們對自己模型框架的后續(xù)完善工作有何建議？2、請查閱相關資料、收集數(shù)據(jù)，選取一個你們認為當下福田紅樹林最迫切需要 解決的生態(tài)系統(tǒng)問題，基于你們構建的模型框架從健康預警的角度出發(fā)對其生態(tài) 發(fā)展趨勢進行預測分析，并給出具體的保護、管理建議?！灸Ｐ图僭O】將福田紅樹林濕地生態(tài)系統(tǒng)分為鳥類、浮游植物、潮間帶大型底棲動物、植物、水域及昆蟲六部分。 一個年度的監(jiān)測周期為每年4月1日至次年3月31日，按照4月份（春）、7月份（夏）、10月份（秋）、1月份（冬季）進行監(jiān)測，所有6個監(jiān)測項目 同步進行； 保護區(qū)內設置4處永久監(jiān)測樣地：分別是沙嘴碼頭S、鳳塘河

7、口 F、觀鳥亭G 及基圍魚塘Y （詳見下圖）。所有6個監(jiān)測項目的監(jiān)測點包括但不僅限于這4 處永久監(jiān)測樣地?！灸Ｐ鸵唬簞討B(tài)監(jiān)測】福田紅樹林濕地生態(tài)系統(tǒng)背景監(jiān)測根據(jù)濕地生態(tài)系統(tǒng)動態(tài)監(jiān)測規(guī)程，針對濕地生態(tài)環(huán)境監(jiān)測的具體范圍， 在正式開展生態(tài)環(huán)境監(jiān)測以前，應進行濕地生態(tài)環(huán)境的背景調查監(jiān)測，以便確定 常規(guī)生態(tài)環(huán)境監(jiān)測指標體系及生態(tài)環(huán)境評價的背景值。背景值主要包括濕地地理 位置，濕地面積，水域面積，植被面積，水體總量，地表徑流量，年排入量，降 雨量，蒸發(fā)量，湖、沼濕地與地下水的交換量，供給水量等。背景調查監(jiān)測應在 一個年度內完成，調查頻率應不少于4次，分別在春、夏、秋、冬四季各開展一 次調查監(jiān)測。福田紅樹

8、林東起新洲河口，西全海濱生態(tài)公園。紅樹林的北面是基圍魚塘、 蘆叢水洼；而南面是廣闊的海岸灘涂。三者共同組成福田紅樹林濕地生態(tài)系統(tǒng)， 總面積約368公頃。沿海岸線長約9km，平均寬度約0.7km，區(qū)域范圍在北緯22 30 - 22 32，東經(jīng)113 56 - 114 3之間，與深圳特區(qū)城市新中心區(qū) 相距2.2km。本地區(qū)主要地貌類型有沖積平原、沿海沙堤、紅樹林灘涂、泥質光 灘涂、灘涂潮溝水道等類型。福田紅樹林區(qū)域屬東亞季風區(qū)，南亞熱帶海洋性季風氣候區(qū)。全年平均氣溫 22.4C，1月份氣溫最低，月平均氣溫14.1C，最低溫度為0.2C，7月份最高， 月平均氣溫28.2C，最高氣溫38.7C。年平均

9、降雨量17001900mm，集中在49月。年蒸發(fā)量15001800mm。年平均相對濕度80%。全年日照時數(shù)約2000小 時。常風較大，主導風向為東南風，夏秋多臺風，年受臺風襲擊24次。二監(jiān)測指標及檢測方法鳥類（1）福田紅樹林鳥類調查與監(jiān)測點共7個，分別為深圳灣公園東觀光道東側 水域（SZWD）、東觀光道南側水域（SZWN）、鳳塘河口（FTHK）、沙嘴魚塘（SZYT）、 觀鳥屋對面基圍魚塘（GYT）、鳳塘河口西側基圍魚塘（XYT）、避風塘東側基圍魚 塘（DYT）及深圳河口（SZHK）。（2）福田紅樹林鳥類調查與監(jiān)測要求秋冬春時段（10月到4月）每月調查2次， 共14次，夏秋時段（5月到9月）每月

10、調查1次，共5次，合共19次；（3）每次調查需要記錄鳥類的種類、數(shù)量、分布地點及生境等數(shù)據(jù)。常規(guī)監(jiān)測 項目如下表繪制鳥類監(jiān)測數(shù)據(jù)表序號名稱保護等級數(shù)量棲息地繁殖期除了常規(guī)的鳥類監(jiān)測項目以外，鳥類還受到如下環(huán)境因子的影響:光污染X ,對鳥類影響最嚴重的是光污染中的人工白晝。夜幕降臨后，商場、11酒店上的廣告燈、霓虹燈閃爍奪目。有些強光束甚至直沖云霄，猶如白晝。即所 謂人工白晝。會傷害鳥類和昆蟲，強光可能破壞昆蟲在夜間的正常繁殖過程。可 以測試21： 00至次日4:00的平均光強作為X11的量化指標。噪聲污染X12，隨著城市化的快速發(fā)展，人為噪聲對鳥類的聲通訊產(chǎn)生了重大 干擾，因此鳥類只能通過調整

11、自己的發(fā)聲使聲通訊有效地進行，進而保證物種能 夠在噪聲環(huán)境中得以生存繁殖?？梢詫⒌缆吩肼暵晧杭壸鳛閤12的量化指標?；瘜W污染X13，根據(jù)美國康奈爾大學生態(tài)學家迪一利昂教授和她的研究小組公 布的研究報告，多氯聯(lián)苯會影響鳥類的發(fā)聲系統(tǒng)。因為鳥類主要是靠聲音來吸引 異性進行交配的，這個影響可能會進一步擴展到鳥類的生殖繁衍。因此，以福田 紅樹林地區(qū)的類似多氯聯(lián)苯的有毒化學物質濃度為X13的量化指標。溫度X/濕度X ；15深圳福田自然保護區(qū)鳥類主要捕食的底棲動物為羽須鰓沙蠶和腺帶刺沙蠶，其 數(shù)量可視為交互因子Z11量化指標。建立得分Y1 （10分制）與X1 X5的線性回歸方程，由于Y沒有實際觀測值， 所

12、以將最適宜鳥類生存的這六個影響因子的最佳值對應的Y值定為10，根據(jù)鳥 類生存的適應程度依次設置10、8、6、4、2、0六個Y值，然后根據(jù)最小二乘法 建立回歸方程y = E x +B x +E x +E x +B x +B z11111121213131414151516 11每日統(tǒng)計六個因素量化指標數(shù)值進而計算得分，實現(xiàn)對紅樹林鳥類的日動態(tài) 監(jiān)測，如得分驟降或低于6,則查閱近日統(tǒng)計數(shù)據(jù)可知造成影響的具體因素，進 而得以有效的管理。浮游植物（1）通過對水體浮游生物的監(jiān)測，獲得福田國家級自然保護區(qū)水體浮游生物的 種類組成、優(yōu)勢種和豐度分布（時間，空間）及季節(jié)變化，建立數(shù)據(jù)庫。常規(guī) 檢測項目如下表所

13、示：浮游生物監(jiān)測數(shù)據(jù)表檢測地點種名生物量密度除了常規(guī)檢測項目以外，還需關注以下影響浮游植物的因素：總氮（TN）氨氮（NH4-N）總磷（TP）可溶磷（PO -P）， ，4、硅酸鹽（SiO-Si） 鹽度3PH水溫影響因素1至6以100ml水中的含量為量化指標。（2）對保護區(qū)內的赤潮進行有效的監(jiān)測預警，并通過數(shù)據(jù)庫分析發(fā)生原因。（3）類似于鳥類得分方程的建立過程，利用最小二乘法建立得分方程，用以判 斷目前環(huán)境的浮游植物的影響。y =B x +B x +B x +B x +B x +B x +B x +B x221212222232324242525262627272828植物植物多樣性及生長狀況監(jiān)測

14、主要從群落結構、外來種入侵（特別觀察海桑、 無瓣海桑的擴散）、植被變化三個宏觀方面開展：群落結構：對主要鄉(xiāng)土紅樹植物群落秋茄群落、木欖群落、桐花樹群落、白 骨壤群落進行生長調查與監(jiān)測；外來物種入侵：對外來紅樹植物海桑及無瓣海桑群落進行生長調查與擴散監(jiān) 測；植被變化：對福田紅樹林保護區(qū)的沿岸帶進行每年一次的植被調查，記錄各 植被類型和斑塊，記錄各主要種群。其中沙嘴碼頭S天然紅樹林群落固定樣地繼續(xù)進行監(jiān)測；觀鳥亭G對植物海 桑林、無瓣海桑林及其混交林生長調查與監(jiān)測；鳳塘河口F重點監(jiān)測小島樣地、 基圍魚塘Y主要檢測紅樹植物、基圍植被及濕地植物。水質（1）在觀鳥亭（G）、鳳塘河口（F）、沙嘴碼頭（S）

15、紅樹林區(qū)及其附近灘涂和基 圍魚塘（Y）進行水質監(jiān)測。于每年1,、4、7、10月四期，分別取高潮和低潮時 水樣各一次，分析水質情況。（2）水質監(jiān)測項目：理化指標：鹽度、濁度、氧化還原電勢、電導率、pH值、溶解氧；營養(yǎng)鹽和有機物污染指標：總氮、氨氮、硝酸鹽氮、總磷、可溶磷、COD、BOD；微生物污染指標：大腸菌群總數(shù)、致病性腸道菌數(shù)；重金屬污染物：Cd、Pb、Ni、Cr和As。（3）對于水污染的程度，利用單因子評價指數(shù)法進項度量評價方法：單因子評價指數(shù)法、，一“. C單因子評價指數(shù)計算公式：P 匕，C.io.式中：Pi一某污染因子的污染指數(shù)即單因子污染指數(shù)；Ci一某污染因子的實測濃度；Cio 一某

16、污染因子的評價標準。水質指標評價標準依據(jù)為地表水環(huán)境質量標準（GB3838-2002）。每日數(shù)據(jù) 實時更新，利用單因子評價指數(shù)法評價各項因子是否超標或過低，進而制定具體 的解決方案，進行科學有效的針對性治理。大型底棲動物（1）在觀鳥亭（G）、鳳塘河口（F）、沙嘴碼頭（S）紅樹林區(qū)及基圍魚塘（Y） 進行大型底棲動物生態(tài)狀況監(jiān)測，每年4、7、10月以及次年1月在各取樣點進 行取樣檢測；（2）通過對大型底棲動物調查，主要測定底棲動物的種數(shù)、密度、鮮重生物量、 多樣性指數(shù)、污染指數(shù)的變化，充分掌握底棲動物及其優(yōu)勢種的生態(tài)動態(tài)變化情 況，建立數(shù)據(jù)庫；（3）深圳福田自然保護區(qū)鳥類主要捕食的底棲動物為羽須鰓

17、沙蠶和腺帶刺沙蠶， 所以對這兩項的取樣檢測可以反映鳥類對大型底棲動物的影響。（4）運用生物指數(shù)評價福田紅樹林濕地生態(tài)和環(huán)境狀況：在擬評價的河段把各種大型底棲無脊椎動物盡量采到，把采到的大型底棲無 脊椎動物分成兩類：（I類和II類動物種類數(shù)目分別以A和B表示。）I類是對有機物污染缺乏耐性的（即敏感的）種類；II類是對有機物污染有中等程度耐性的（即不敏感的）種類。貝克-津田生物指數(shù)公式為：I=2A+B以所得數(shù)值I為標準，05為嚴重污染，610為中度污染，1119為較 清潔，大于20為清潔水體。昆蟲（1）采用五點取樣法在四個檢測區(qū)每年4、7、10月及次年1月進行四次昆蟲取 樣，建立數(shù)據(jù)庫。繪制如下取

18、樣表：地點土壤植被情況樣坑號樣坑深度害蟲名稱蟲期害蟲數(shù)量備注（2）還要對害蟲取樣點的植物進行采樣，進而分析害蟲對植物的影響:被害率=有蟲（發(fā)?。﹩挝粩?shù)/取樣單位總數(shù)X100%蟲口密度=調查總蟲數(shù)/調查總單位數(shù)3病情指 Z （各級病情數(shù)x各級樣本數(shù)）.病情指數(shù)=最高病情級數(shù)x調查總樣本數(shù)【模型二：健康評價體系】根據(jù)紅樹林生態(tài)系統(tǒng)的保護和管理目標考慮健康評估指標。通過查閱資料， 我們得知：“紅樹林濕地的保護和管理目標是發(fā)揮其防風消浪護堤、保持生物多 樣性、凈化污染物、生態(tài)旅游等生態(tài)服務功能，健康的標準是保持紅樹林群落結 構和功能完整性、穩(wěn)定性和可持續(xù)發(fā)展能力，同時滿足人類對資源的需求?！笨?慮到選擇指標要具有代表性，且具有易控制、易操作的特點，便于監(jiān)測，計算簡 單，具有技術和經(jīng)濟可行性。在對紅樹林健康穩(wěn)定性的主導因子正確理解的基礎 上，所選群落指標要能夠反映紅樹林的生態(tài)功能和生物多樣性，并具有早期預警 和診斷性。我們按照自然性指標、群落結構完整性與穩(wěn)定性指標、生物安全性指 標、群落穩(wěn)定性指標、生境理化性質指標、生物因子指標六個方面，選取有代表 性的重要指標構建評價指標體系。經(jīng)過查閱資料，我們得出紅樹林濕地群落健康評價